上理典型環(huán)節(jié)及其階躍晌應(yīng)

1、實(shí)驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)及其階躍晌應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? .掌握控制模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理和一般方法。2 .掌握控制系統(tǒng)時(shí)域性能指標(biāo)的測量方法。二、預(yù)習(xí)要求1 .閱讀實(shí)驗(yàn)原理部分，掌握時(shí)域性能指標(biāo)的測量方法。2 .分析典型一階系統(tǒng)的模擬電路和基本原理。二、實(shí)驗(yàn)原理1 .模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理：控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法來模擬各種典型環(huán)節(jié)，即利用運(yùn)算放大器不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)模擬各種典型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來，便得到了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號(hào)加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計(jì)算機(jī)等測量儀器，測量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)晌應(yīng)曲線及性能指標(biāo)。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進(jìn)一步分析研究參

2、數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)是按數(shù)學(xué)模型的共性去建立的，分析或設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)必先建立系統(tǒng)或被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，可與典型環(huán)節(jié)對(duì)比。熟知典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能和響應(yīng)，為研究系統(tǒng)提供方便。2 .在實(shí)際模擬環(huán)節(jié)注意，1）實(shí)際運(yùn)算放大器輸出幅值受其電源限制是非線性的，實(shí)際運(yùn)算放大器是有慣性的2）對(duì)比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)和振蕩環(huán)節(jié)，只要控制了輸入量的大小或是輸入量施加的時(shí)間的長短（對(duì)積分或比例積分環(huán)節(jié)），不使其輸出在工作期間內(nèi)達(dá)到飽和，則非線性因素對(duì)上述環(huán)節(jié)特性的影響可以避免。但對(duì)模擬比例微分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)的影響則無法避免，其模擬輸出只能達(dá)到有限的最高飽和值。3）實(shí)際運(yùn)放有慣性，它對(duì)所

3、有模擬慣性環(huán)節(jié)的暫態(tài)響應(yīng)都有影響，但情況又有較大的不同。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容構(gòu)成下述典型一階系統(tǒng)的模擬電路，并測量其階躍響應(yīng)：1 .比例環(huán)節(jié)CP）的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖3-1-10白=fRZ/R1圖377比例環(huán)節(jié)的輸出量能夠無失真、無滯后地按比例復(fù)現(xiàn)輸入量。如：物理系統(tǒng)中的無彈性形變的杠桿，非線性和時(shí)間常數(shù)可以忽略不計(jì)的電子放大器，傳動(dòng)鏈之速比，測速發(fā)電機(jī)的電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。2 .慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖3-1-2。慣性環(huán)節(jié)又稱非周期環(huán)節(jié)，具單位階躍響應(yīng)是非周期的指數(shù)函數(shù)，當(dāng) 時(shí)輸出量才接近穩(wěn)態(tài)值。如直流電機(jī)的勵(lì)磁回路。3.積分環(huán)節(jié)（1）的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖3-1-3 。t=3J4t

4、G(S)=1/TS X /T=RC只要有一個(gè)恒定的輸入量作用于積分環(huán)節(jié)，具輸出量就與時(shí)間成正比地?zé)o限增加。實(shí)際上放大器都有飽和特性，輸出不可能無限制增加。4 .微分環(huán)節(jié)CD）的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖3-1-4。ffi3-1-4微分環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)是一個(gè)面積為T的脈沖，脈寬為0,幅值為無窮大。5 .比例+微分環(huán)節(jié)CPD）的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖3-1-50用 3-1-56 .比例十積分環(huán)節(jié)cpn的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖3-1-6.H>加U2GS»K<H1，T£lX夕A/DlK-R2/R1,T-RCrt五、實(shí)驗(yàn)步驟1 .啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)

5、行軟件。2 .測試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常，通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。比例環(huán)節(jié)3 .連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入u.接A/D、D/A卡的DA.輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD.輸入。檢查無誤后接通電源。4 .在實(shí)驗(yàn)課題下拉菜單中選擇實(shí)驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)。5 .鼠標(biāo)單擊實(shí)驗(yàn)課題彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)窗口。在參數(shù)設(shè)置窗口中設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)：波源類型為階躍波，信源電壓為一1,鼠標(biāo)單擊確認(rèn)，等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。6 .觀測計(jì)算機(jī)屏幕顯示出的響應(yīng)曲線及數(shù)據(jù)。7 .按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格記錄波形及數(shù)據(jù)。慣性環(huán)節(jié)8 .連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬

6、電路。電路的輸入U(xiǎn)l接A/D、D/A卡的DA,輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的ADl輸入。檢查無誤后接通電源。9實(shí)驗(yàn):步驟同4-7積分環(huán)節(jié)10.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)l接A/D、D/A卡的DA,輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的ADl輸入。檢查無誤后接通電源。11.實(shí)驗(yàn)步驟同4-7微分環(huán)節(jié)12 .連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)l接A/D、D/A卡的DAl輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的ADl輸入。檢查無誤后接通電源。13 .實(shí)驗(yàn)步驟同47比例+積分環(huán)節(jié)14 .連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)l接A/D、D/A卡的DA,輸出，電路的

7、輸出U2接A/D、D/A卡的ADl輸入。檢查無誤后接通電源。15 .實(shí)驗(yàn)步驟同4716 .測量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格的填寫。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格典型環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)置傳遞函數(shù)單位階躍響應(yīng)表達(dá)式單位階躍響應(yīng)曲線比例環(huán)節(jié)（p）K=I,R2=100KG(S)=-1U0(t)=1見圖1.aRl=100KK=2,R2=200KG(S)=-2U0(t)=2見圖1.b慣性環(huán)節(jié)（T）T=0.1s,C=1ufG(S)=-1/(0.1s+1)U0(t)=1-eA(-10t)見圖2.aRl=R2=100KT=0.0Is,C=0.1ufG(S)=-1/(0.01s+1)U0(t)=1-eA(-100t)見圖2

8、.b積分環(huán)節(jié)（I）T=0.1s,C=1ufG(S)=-1/(0.1s)U0(t)=t/0.1見圖3.aR=l00KT=0.01s,C=0.1ufG(S)=-1/(0.01s)U0(t)=t/0.01見圖3.b微分環(huán)節(jié)（D）T=0.ls,cl=lufG(S)=-0.1sU0(t)=-0.16'(t)見圖4.aR=100KT=0.01s,Cl=0.1ufG(S)=-0.01sU0(t)=-0.01S'(t)見圖4.b比例微分環(huán)T=0.ls,Cl=lufG(S)=-(1+0.1s)U0(t)=-5(t)+0.15，(t)見圖5.a節(jié)(PD)R1=R2=100KT=0.01s,C1=0

9、.lufG(S)=-(1+0.01s)U0(t)=-8(t)+0.01S'(f)見圖5.b比例積分環(huán)T=0.ls,C=lufG(S)=-1+1/(0.1s)U0(t)=1+t/0.1見圖6.a節(jié)(PI)Rl=R2=100KT=0.01ls,C=0.lufG(S)=-1+1/(0.01s)U0(t)=1+t/0.01見圖6.b010OQ20003OQO400050006go?oac8ooo9000100005000實(shí)建一粕單位：Xims-¥imV方波信號(hào)源周期：500ms-50°ms4coo電平:-looomV或-loaomV采樣；10OQ*1。33coo2CQ0OO

10、0in1小,nI“FjFluuIu，u|FU，小iu¥*/”一'I"jiiu*i*、¥jM+i.，=4L0-lOOO20003000-4000'SoooXi-loooaXa-iooooXi-oYi5Q0QYa-5000IYi-Y2=ioooo圖1.a50004000300020001.000-1000-20003000-4000'Sooooiooa20003000400050006ooo700。8ooo9000icooo5000實(shí)登一粕單位：xims-?imv方波信號(hào)源周期：5。口ms-500ms4000電平：“口。口mV或-looomV一

11、樣;looo*ioms30002000p.一-H-3=，”那一.，七，.修4z-L-、*1.0000-1000-20003000-4OOO'SoooXl-10Q00XarIQQQQXi-Xa|-oYi3OQQYs-5000IYiY2=ioooo圖1.b0IQQQ20003OGQ40005000600070008000900010000實(shí)會(huì)二軸單住:Xims-YimV方波信號(hào)源周期：500ms+500ms電平：-iooo6"或toq。mV采樣；IQg*10IXL5圖2.atOQoaXa-5OOQYs100Q0-50000icooo9671.COOOXi-33Xa-loooYi5

12、000Ya-5000圖2.b圖3,aYt500C1Ya-5000IYi=¥2I=1.0000YigoodY2-5000IYi=Y2I=1.0000圖3,b500DYs-5000icooo圖8.a7X2二goooYa10Q0-5000圖4.b993lOOOO500DYs-5000icooo50004000300020001.000-1000-20003000-4000'Sooo50004000300020001.000-1000-20003000-4000'Sooo200300400500600700800goo100050004000300020001.000-100

13、0-20003000-4000'Sooo實(shí)裝一粕單位：xims-?unv方潦信號(hào)源周期：5?？趍s-500ms電平：-taoomV或tqq。mV采樣：looo*1msXi-26X2-Yi5000Ya10Q0-50009741.COOO圖5,b500DYs-5000icooo-50005O0Q Ysicooo圖6.b六、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ? .由典型環(huán)節(jié)的模擬電路推導(dǎo)傳遞函數(shù)，再反Laplace變換推導(dǎo)單位階躍響應(yīng)表達(dá)式。2 .要求能設(shè)計(jì)各典型環(huán)節(jié)的模擬電路。3 .在描述單位階躍響應(yīng)曲線時(shí)要完整標(biāo)注橫軸、縱軸的變量名稱、大小及單位，同時(shí)標(biāo)注各環(huán)節(jié)的特征參數(shù)。4 .同一環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線畫在同一個(gè)坐標(biāo)中，用特征參數(shù)區(qū)分標(biāo)注。七、思考題1 .用運(yùn)放模擬典型環(huán)節(jié)時(shí)，其傳遞函數(shù)是在哪兩個(gè)假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的？2 .怎樣選用運(yùn)算放大器瑜入電阻、反饋電阻的的阻值范圍可任意選用嗎？3 .在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似的視為積分環(huán)節(jié)？在什么條件下，又可以近似的視為比例環(huán)節(jié)？4 .如何根據(jù)階躍響應(yīng)的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)？答1：假定運(yùn)放具有理想特性，即滿足“虛短”“虛斷”特性運(yùn)放的靜態(tài)量為零，個(gè)輸入量、輸出量和反饋量都可以用瞬時(shí)值表示其動(dòng)態(tài)變化。答2：運(yùn)放差分放大器